CN1042284A - 使用扩张频道提高彩色电视信号分辨率的方法和装置 - Google Patents

Abstract

使用一个扩张频道提高NTSC视频信号分辨率的一种方法包括产生行和信号及行差信号。从该行和信号可以得到水平细节信号，该信号可被对角滤波并加到对角滤波了的垂直细节信号中，在约2.5MHz的宽带内传送。此外，该行和信号可用于得到一个标准的NTSC视频信号，该视频信号从该扩张频道分开地传送。解码器装置包括单个的数字对角滤波器，该滤波器具有互补输出函数，以低成本产生改善的水平与垂直分辨率。

Description

本发明涉及传送高分辨率电视信号领域，特别涉及利用分别形成和传送的扩张频道提高NTSC信号分辨率的方法和装置。

人们对于允许增加垂直与水平二维图象分辨率的电视信号的传输越来越感兴趣。但是已有成百上千万台已在使用的电视接收机接收和显示标准的北美和日本的电视传输标准（称之为国家电视子委员会或NTSC标准）

由于有这么多现有的电视机只显示NTSC电视信号，所以已研究出两个基本方法来提高分辨率的电视服务。一个方法是以新的格式传送高分辨率的电视信号，然后强行要求所有的用户要么得到一个为他们现有的电视机能够从新的格式信号恢复NTSC信号的解码器，要么买一台接收新格式信号的新电视接收机。为了接收新格式信号和显示高分辨率图象，要求用户购买一台新的很贵的高分辨率电视接收机。为使可选用的解码器是可行的，这种方法的一个明显的目的是使得用于现有电视机的解码器的价格尽可能地便宜。但是，这种方法对于广播机构来说是非常不能满意的，他可能从用户那里失去相当大的收入，而且为适应新的格式信号，必须花费相当大的费用。

这种方法随后的一种解决方案涉及传输高分辨率多路复用的模拟分量（MAC）信号，NTSC信号可以从该信号很便宜地得到。这种解决方案在1987年9月2日申请的，申请号为092305的未审定的美国专利申请中描述，在这里引用供参考。在该公开的技术中，产生一个行和信号，从该信号可以得到改善的水平的清晰信息，并产生一个行差信号，从这个信号可以得到改善的垂直的清晰信息。二维对角滤波器用于高分辨率信号和取出的剩下的五点形或五个图形图的交替样值。通过重新引入样值，完全高分辨率信号被恢复了，该样值是先前传输的行和与行差信号通过内差而得到的。

用于传输更高分辨率信号的任何新格式应考虑公用部门和制造厂商在现有NTSC电视机中的已有的投资，如果由广播机构以NTSC格式分配的电视频道改变为一个新的电视信号格式，除非新格式可由现在的标准NTSC兼容电视机接收，传输NTSC格式信号实际上是不终止的。否则，广播机构立即失去所有的观众，而且除非每个观众改进他们家里的设备以接收新标准格式，所有观众将失去服务。

由于这个原因，开发高分辨率电视（HDTV）格式的另一种方法具有相当大的兴趣，这种格式可以由现有的电视接收机接收和显示（不需要增加解决方案）。包含更先进电路的新接收机当调到相同的传输频道时应该接收和显示更高分辨率的图象。具有与现有的NTSC和新高分辨率电视机适当兼容的电视信号格式称之为“NTSC兼容的HDTV信号”。

产生NTSC兼容的HDTV的一种方法是对目前的NTSC信号采用“扩张频道”（augmentation    channel）。包含扩张频道的宽图象格式电视传输系统在COLE的美国专利4581640中提出来了，在这里引用供参考。对NTSC信号频道的第二个分开的频道扩展现有的NTSC信号是通过传送边侧信息以增加图象宽度和附加信息，以增加垂直分辨率与水平分辨率。正如由北美菲利蒲公司已开发和建议并根据与输出扫描速率有关的惯例，扩张的频道是由2∶3时间扩张的高频信号构成，并把行差信号调制到12.2兆赫的副载频，该副载波是多倍于NTSC行频率而且高于高分辨率NTSC信号的时间扩展高频YH亮度分量。然后行差分量复用在大约9.4至13MHZ，而高分辨率信息为7.3至10.4MHZ。

这种复用利用这两个分量之间的小的重叠（9.4至10.4MHZ）。对初始的菲利蒲公司的建议的改进在Tsinberg的美国专利4694338中叙述了，在这里引用供参考。他的建议是关于传输扩张频道的重叠部分产生的问题的解决方案。任何有关改善水平分辨率的要求看来是与包含水平信息的行差信号有关。但是菲利蒲公司的扩张频道建议是可行的，仍然在该技术领域要求扩张频道实施的经济而有效的比较设计，它进一步改进水平分辨率。

在北美和日本的彩色的电视传输使用的NTSC标准当在距离小于三倍图象高度观看时，有一定的图象损伤。它们是：

（1）彩色串扰，这是有关解释作为NTSC标准接收机的彩色信息的亮度能量的;

（2）亮度串扰，它是有关解释作为NTSC标准接收机的亮度信息的彩色能量的;

（3）行结构，这是有关使用隔行扫描，由于没有足够的行而产生的行结构的不希望的能见度;

（4）有限的垂直分辨率，和

（5）有限的水平分辨率。

还有，人们通常认为，在该格式中使用的4∶3的宽高比对于更大的屏幕是不合适的，而更宽的图象希望具有16∶9的宽高比。

最近几年，已经论证了完善的二维滤波器技术，当它用于NTSC发射机和NTSC接收机时，可以消除彩色串扰和亮度串扰的影响。因此本发明的目的是有效地致力于提高水平以及垂直分辨率和行结构能见度的问题，同时将图象的宽高比增加到16∶9。

众所周知，通过在典型的NTSC显示的行间产生附加的电视行可减轻行结构可视度的影响。这些行可用内插技术构成。当在一场中垂直内插附加行时降低行结构的可视度，它也不可避免地降低垂直分辨率。

在上述菲利蒲系统和其他系统中为广播电台建议的解决方案是使用垂直细节信号（行差信号）来改善内插的精确度。这个技术既消除可视的行结构，又增加垂直分辨率。行差信号在发射机产生并插入到扩张频道供所有接收机使用。

另一方面，这样产生的行差信号可能要求时间压缩以便留出边侧信息的位置并导致所得到的垂直分辨率的某些损失。虽然垂直分辨率的损失可通过其他方法来校正，但这样的方案增加了解码器的价格。另外，水平分辨率的改善涉及行差信号的传输。

总之，在扩张频道技术中，扩张频道应传递下列信息：

（a）把宽高比从4∶3增加到16∶9的边侧信息。

（b）行差信号提高16∶9图象的垂直分辨率，并消除行结构可视度，以及

（c）增加水平分辨率的信息。

本发明作为产生扩张频道包括水平分辨率的改善的一种方法对菲利蒲系统进行改进。菲利蒲的建议和本发明二者都涉及用于改善垂直和水平分辨率的行差信号部分的传输和作为扩张频道部分的边侧信息与彩色信息的传输。然而，本发明与菲利蒲建议的区别在于：从行和信号产生水平分辨率部分和利用对角滤波从一行差信号而来的垂直分辨率部分的组合。（在滤波器里可感觉到的水平和垂直分辨率的损失不大）垂直与水平分辨率部分可以以互补方式在约2.5MHZ的频带内传输，留下剩余的可用的6MHZ    NTSC一样的带宽用于传输边侧信息，彩色和其他数据。此外，在发射机上使用产生的行和信号为在扩张频道上的传输分离标准的NTSC信号。

本申请叙述把所有需要的信息插入到扩张频道的方法和装置，该频道使编码器和解码器的费用尽量减少并改善了效率。

图1说明具有用于增加有效图象宽度的边侧信号的扩张频道;

图2图示说明16∶9宽高比图象信号的垂直对水平的分辨率;

图3形象说明用于实现便宜而有效的扩张频道的本发明的方法;

图4是实施图3的编码方法的发射机的示意图;

图5形象说明对图3的方法的互补方法，该方法可在接收机出现;以及

图6是实施图5的解码方法的接收机示意图。

参见图1，绘图说明扩张频道的要求。该扩张频道包含标准同步周期和边侧信号，边侧信号增加图象的宽度，从宽高比4∶3增至16∶9。有左（LH）和右（RH）边侧。图象宽度的增加相应于增加了原图象宽度的 1/3 ：

16/9÷4/3＝4/3＝1 1/3

这样边侧信息占有效行的 1/3 。剩下的 2/3 行必须传送信息，这些信息使4/3的图象分辨率增加为原来宽度的分辨率。为获得这个结果，要求对所有的分辨率改善信息进行2∶1的时间压缩。2∶1的时间压缩具有加倍信号带宽的效果。

假定扩张信号必须在约为6MHZ的普通无线电频率频道内传送，则压缩的基带信号的带宽可能不超过5MHZ。这意味着未压缩的约带宽为2.5MHZ。因此本发明的目的是在2.5MHZ的带宽内最大可能地增加垂直和水平分辨率。

假定本方法是应用于以525行顺序扫描的，高分辨率的，宽高比为16∶9的图象，信号的水平带宽为14.32MHZ。由于目前的叙述假定行加倍了，所以隔行信号带宽为7.16MHZ，顺序扫描的信号已从隔行信号中取出。这类的顺序扫描信号在16∶9宽高比的屏幕上保持480线的垂直分辨率和420线的水平分辨率。在图2中示出了表明水平对垂直分辨率的二维频谱。

电视图象的行是成对的，奇数行标以A，偶数行标以B。参见图3，每个相邻的A、B对进行处理以产生信号（A+B）和（A-B）（第1步）。（这个等效于应用具有继之以隔行的十中取一的系数1，1和1，-1，垂直数字滤波器）。信号A+B行和信号，信号A-B是行差信号。

这两个信号（A+B和A-B）一起包含再现原始顺序扫描图象所需要的全部信息，但是每个信号本身是525行的隔行信号。因此，信号的进一步处理是按照图3所示的来进行。

参见图3的右侧，（A-B）信号的低频部分是垂直细节信号，可以消除可见的行结构。它是完全垂直混淆（由于行配对过程），使得最大垂直频率在零频率（原点）。使用数字滤波技术，这个信号被对角滤波以分离图3的区域（3）（第2步）。所用的数字滤波器使用14.32兆赫4倍副载波频率（4fsc）的取样频率，彩色副载频是3.58MHZ。对角滤波是较好的，如众所周知，对于用户来说对角频率能量损失比由于垂直或水平滤波的频率损失感觉更不明显。

参见图3的左侧，行和（A+B）信号也是适合条件的信号（在行的十中取一之前已经垂直滤波了）。因此它传送相应于普通525行2∶1隔行信号的垂直信息，而且可变换为NTSC标准格式。它还传送扩展到7.16MHZ（420行）的水平分辨率信息。使用互补高通/低通数字滤波器，还使用14.32MHZ的取样频率，这个信号被分为两个分量（第3步）。

由于互补滤波产生的低通区域（1）是在约4.6MHZ带宽内的NTSC亮度信号，并且通到NTSC信号发射机。该发射机应包括二维滤波器，在3.58MHZ（227.5行频（fh））的NTSC标准彩色副载波（第4步）引入之前予梳亮度和彩色信号。

在4.6MHZ与7.16MHZ之间的高通区域，通过对产生0与2.5MHZ之间的基带的隔行样值求反（第5步）被解调为基带。这样把接近7.16MHZ的能量变换为原点的能量，而4.16MHZ的能量变换为2.5MHZ的能量，对角数字滤波器可以有效地用于产生区域（2）（第6步）。正如上面关于垂直细节的对角滤波所叙述的，细节信息的对角滤波引起最小的感觉的能量损失。区域（2）和（3）的样值信号组合以构成2.5MHZ带宽信号（第7步）。这样就产生2.5MHZ扩张信号的带宽部分，用以改善水平和垂直细节。然后这个扩张信号进行2∶1时间压缩并组合到一个完整的扩张信号中（图1）扩张信号具有包括剩余带宽内的边侧亮度与彩色信息的NTSC视频信号的外形。

NTSC信号和扩张信号频道二者都可以在单独的6MHZ    RF（射频）频道中利用残余边带传输方法进行传输。该信号的NTSC部分1与现有的接收机及CATV（电缆电视）扰频系统兼容，并用于再生普通的525行，2∶1隔行的NTSC图象。

扩张区域（2）和（3）可用另一种方法传输。例如由广播、电缆电视或直播卫星的予知而决定。在与已知的菲利蒲的建议比较时，重要的是通过产生行和信号以及行差信号，水平分辨率的改善是由行和信号得来的。此外，水平与垂直细节信号可以分开对角滤波，并且以灵活的方法以任何希望的格式在2.5MHZ带宽内紧凑地传送，该格式用于在剩余带宽内把这种信息与边侧亮度及彩色信息一起传输。另外，由于应用行和信号（不象行差信号）取出水平细节信息信号，剩下NTSC信号频率未受损失而不变，因此，应用行和信号当然允许提取象NTSC的信号（第3步和第4步）。

一个旧的NTSC接收机简单地调到NTSC信号。一台新的HDTV接收机调谐NTSC和扩张两个信号，并再现525行顺序扫描图象，该图象分别具有垂直480线的最大垂直分辨率和420线水平分辨率。

现在参见图4，表示用于对高分辨率电视信号编码的，根据图3的方法传输的发射机的示意图。所述编码器所用的输入包括525行顺序扫描的亮度信号（图2）和彩色信号。在多路信号分离器401，输入亮度信号的奇数和偶数行从边侧亮度信号中分开，如图1所示的那样。奇数行暂存在奇数行存储器402中，而偶数行暂存在行存储器403中。边侧信号，具有边侧彩色信号，以普通的方法编码，并根据复用和适于该情况的传输技术排列成适当的格式，如出现的NTSC信号和垂直与水平细节信号构成一个扩张频道。

本发明与扩张频道细节部分的产生和标准NTSC视频信号有关。

在奇数行存储器402中存储一对奇数号码的行，在偶数行存储器403中存储一对偶数号码的行。滤波器404和405代表具有系数1，1和1，-1的垂直数字滤波器。滤波器404提供行和信号A+B，而滤波器405提供行差信号A-B。该行差信号在滤波器406中对角滤波以恢复基带的垂直细节信号。

该行和信号A+B用于互补高通/低通数字滤波器407。在基带约4.6MHZ通过的低通区域是亮度信号，在NTSC编码器408中与NTSC基带色度进行编码用于传输。

4.6至7.16MHZ的高通信号解调为基带，这是通过对隔行样值与解调器409的互补低通信号求反来完成的。然后该结果在数字滤波器410中对角滤波，产生2.5MHZ带宽的水平细节信号。

垂直细节信号V和水平细节信号H组合起来并进行2∶1时间压缩，这是以在时间压缩电路411读入数据的两倍速率读出存储的数据来完成的。因此，可以传输象NTSC扩张频道的水平与垂直细节的改善部分，该频道也可以包括边侧和色度信息部分。现在，较详细地讨论接收机中的过程。

参见图5，在HDTV接收机接收到NTSC频道和扩张频道。NTSC频道用二维数字滤波器技术解码取出亮度信息区域（1）和3.58MHZ的色度信息（第1步）。

扩张频道进行时分多路信号分离以分开NTSC边侧信号（未示出）。然后经过二维数字滤波器技术处理分离出来边侧数据或经过模拟技术处理。然后这些边侧数据连在4∶3宽高比图象的边缘以增加该图象宽度以构成16∶9宽高比，525行，2∶1隔行扫描的图象。

参见图5的右上部，扩张频道的剩下部分（区域（2），（3））以14.32MHZ时钟速率读入存储器，以这个速率的一半或7.16MHZ读出。这种较慢读出过程完成2∶1时间压缩。然后使用对角数字滤波器分开区域（2）和（3），按照对角函数f（W）滤波提供区域（3）和按照互补函数（1-f（W））滤波得到区域（2）（第2步）。区域（3）信号是垂直行差信号，它是与解码的NTSC亮度信号组合再生总共525电视行，这些行是再生二倍行频顺序扫描所必须的（第3步）。

区域（2）信号是通过带通滤波器取出的，并对14.32MHZ的交替样值求反解调为7.16MHZ样值（第4部）。然后结果样值经带通滤波并加到亮度信号的所有行，因而提供附加的水平细节带宽。

现在参见图6，图中表示了从分开的输入信号恢复高分辨率电视信号的解码器，该输入信号包括NTSC信号和扩张信号。扩张信号AUG提供给多路信号分离器601，它根据扩张信号的格式分离为左边侧L，右边侧R和2.5MHZ带宽的水平与垂直扩张信号H和VAUG。

NTSC信号在NTSC解码器602中解码为色度和亮度信号。基本色度信息附加边侧色度信息用于提供完全彩色图象。解码的亮度信号LUM在压缩电路603中以4∶3的比率进行时间压缩，并分别提供给奇数和偶数行和电路604作为附加的垂直与水平细节和边侧附加。

本发明主要地在于随后的水平与垂直扩张信号H和VAUG。该信号首先在时间扩张电路606以2∶1的比率扩张。对角滤波器607，通过对角函数f（W）提供垂直细节信号，通过互补函数1-f（W）提供水平细节信号。这里的f（W）是滤波器607的对角函数滤波特性。垂直细节信号分别在奇数行和电路604与偶数行和电路605中被加入奇数行和从偶数行减去。

水平细节信号在调制器608中由14.32MHZ上的交替样值求反而调制在7.16MHZ上。然后该结果通过7.16MHZ带宽滤波器609。该输出信号被时延，以同解码的亮度信号和时延的边侧信号L与R相同步，并加在奇数与偶数行和电路604与605，以补充各奇数与偶数水平行的细节。

上述解码器电路比较菲利蒲器件的一个优点是，水平和垂直细节信号是经过单个对角数字滤波器607得到的，取消了复杂的模拟滤波器装置。人们要求该解码器电路相当地简化，更加有效并以更低的价格提供。

Claims (15)

1、在发射机中使用分开的扩张频道提高NTSC视频信号分辨率的一种方法，该扩张频道包括用于改善垂直分辨率的行差信号部分，该方法的特征在于下列步骤：

产生一个行和信号；

从该行和信号取出水平细节信号；

滤除该水平细节信号以提供扩张频道信号的水平分辨率部分，以及

传送扩张频道的水平与垂直分辨率部分以提高NTSC视频信号的分辨率。

2、按权利要求1所述的方法，其特征还在于步骤：

从产生的行和信号产生一个NTSC视频信号，在扩张频道上传输。

3、按权利要求1所述的方法，其特征还在于步骤：

在约2.5MHZ的带宽内传送扩张频道的水平和垂直部分信号。

4、按权利要求1所述的方法，其特征还在于水平细节信号滤波步骤包括数字对角滤波。

5、按权利要求1所述的方法，其特征还在于水平细节信号滤波步骤包括对交替样值求反，把高频能量转换为基带。

6、按权利要求5所述的方法，其中水平细节滤波步骤还包括数字对角滤波。

7、在接收机中使用分开的扩张频道提高NTSC视频信号分辨率的一种方法，该扩张频道包括改善垂直分辨率的行差信号部分，该方法的特征在于下列步骤：

滤波扩张频道以恢复水平和垂直细节部分;

把水平细节部分调制到高频频率;以及

把水平细节分别加到奇数和偶数行。

8、按照权利要求7所述的方法，其特征还在于：

该滤波步骤包括以特征函数f（W）进行数字对角滤波，函数f（W）提供垂直细节信号而互补函数1-f（W）提供水平细节信号。

9、按照权利要求7所述的方法，其特征还在于：

在该调制步骤中，该高频频率是彩色副载波频率的倍数。

10、按权利要求7所述的方法，其特征还在于步骤：

为对细节信息编码以便于在分开的扩张频道中传输，对包含水平与垂直细节部分的扩张频道进行2∶1的时间扩张。

11、一种编码器，用于对在分开的扩张频道中传输的细节信息进行编码，提供通过分开的扩张频道分别传送的NTSC视频信号的改善的水平和垂直分辨率，该编码器的特征在于：

用于产生行和信号的装置;

用于从产生的行和信号中取出水平细节信号的装置，和

对水平细节信号进行滤波以提供扩张频道的水平细节部分的装置。

12、按权利要求11所述的编码器，进一步的特征在于：

用于将水平细节部分与垂直细节部分组合起来以便传输的装置。

13、按权利要求11所述的编码器，进一步的特征在于：

从产生的行和信号取出NTSC信号的装置。

14、用于对扩张频道进行解码的一种解码器，以提供分开传送的NTSC视频信号的改善的水平与垂直分辨率，该解码器包括：

一个时间扩张电路，响应一个扩张频道信号部分，用于读入和从行存储器较慢地读出行样值;

接到该时间扩张电路的一个滤波器电路，用于取出垂直细节和水平细节信号，以及

一个加法电路，用于将水平与垂直细节加到该NTSC视频频率信号中。

15、按权利14所述的解码器，其中的滤波器电路特别包括具有对角函数f（W）的一个数字对角滤波器，该对角函数提供该垂直细节，而互补函数1-f（W）提供水平细节。

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